動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)接地故障檢測(cè)方法研究

張 波，李 博，趙俊博，何欣宇，黎梅云，孫慶文

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

本文中的CRH3型動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“IT系統(tǒng)”)為IT系統(tǒng)，以該系統(tǒng)為例，對(duì)其接地故障進(jìn)行研究，通過(guò)建立分析仿真模型，提出可靠的接地故障檢測(cè)方法。

1 接地故障檢測(cè)原理

1.1 單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地檢測(cè)

CRH3型動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)由多臺(tái)輔助變流器輸出并聯(lián)構(gòu)成。單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)，CRH3型動(dòng)車組IT系統(tǒng)接地故障等效原理圖如圖1所示。

圖1 單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)IT系統(tǒng)接地故障等效原理圖

其中，RU、RV、RW、Rm為接地檢測(cè)電阻，且阻值相同；CU、CV、CW為輸出對(duì)地電容，且容值相同；Re為等效接地電阻；N、N1、N2為中性點(diǎn)。

圖1所示的IT系統(tǒng)若無(wú)接地故障，且三相交流負(fù)載平衡時(shí)，N1對(duì)地電壓為0；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，中性點(diǎn)偏移，N1對(duì)地電壓不再為0。

在實(shí)際的IT系統(tǒng)中，接地點(diǎn)位置隨機(jī)，因此通過(guò)直接測(cè)量Re的電壓和電流來(lái)確定系統(tǒng)接地情況的方式實(shí)施起來(lái)較為困難。但是可通過(guò)間接測(cè)量的方式實(shí)現(xiàn)，例如,可通過(guò)測(cè)量Rm電壓的方式間接了解系統(tǒng)接地情況。

(1)

(2)

(3)

聯(lián)立式(1)～(3)可得：

(4)

(5)

針對(duì)系統(tǒng)接地點(diǎn)電流，由基爾霍夫電流定律可得：

(6)

(7)

式中：s——拉普拉斯算子；

C——輸出對(duì)地電容值。

假設(shè)接地檢測(cè)電阻值為R，即RU=RV=RW=Rm=R，聯(lián)立式(4)～(7)可得：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

1.2 多臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地檢測(cè)

多臺(tái)輔助變流器工作發(fā)生接地故障時(shí)，CRH3型動(dòng)車組IT系統(tǒng)接地故障等效原理圖如圖2所示。

多臺(tái)輔助變流器工作時(shí)，由基爾霍夫電流定律可得：

(13)

結(jié)合式(4)～(6)以及式(13)可得：

(14)

(15)

(16)

(17)

式中：n——輔助變流器在線數(shù)量。

2 接地故障檢測(cè)方法

為進(jìn)一步分析接地檢測(cè)電阻電壓、等效接地電阻和電流之間的關(guān)系，將式(15)～(17)等效化簡(jiǎn)為時(shí)域下的分析模型：

(18)

(19)

(20)

式中：UU——U相電壓值；

URm——Rm電壓值；

URe——Re電壓值；

IRe——Re電流值；

f——輸出電壓頻率。

按照CRH3型動(dòng)車組IT系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如下：正常模式下，輸出電壓為3AC 440 V/60 Hz，R為680 kΩ，C為0.5 μF，f為60 Hz，n最大為6。

據(jù)此，可以得出URe、IRe、URm隨Re的變化曲線，分別如圖3、圖4、圖5所示。從圖中可以看出，Re越小，IRe越大，URm越大。從而，提出的接地故障檢測(cè)方法為：通過(guò)測(cè)量URm間接確定系統(tǒng)IRe情況。

圖3 URe隨Re變化曲線

圖4 IRe隨Re變化曲線

圖5 URm隨Re變化曲線

3 接地故障檢測(cè)判據(jù)

3.1 n=6時(shí)的接地故障檢測(cè)判據(jù)

按照GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，為減少接地故障引起的電氣火災(zāi)危險(xiǎn)而裝設(shè)的剩余電流監(jiān)測(cè)或保護(hù)電器，其動(dòng)作電流不應(yīng)大于300 mA。但是在供電部位比較重要、火災(zāi)隱患較大的情況下，線路剩余電流通常不超過(guò)100 mA[5-7]。

因此，為了確保動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)接地電流應(yīng)滿足IRe≤100 mA。

當(dāng)全列輔助變流器都正常運(yùn)行(n=6)且IRe為100 mA時(shí)，由式(18)、式(20)計(jì)算可得Re為2.523 kΩ，URm為22.1 V。

由上文可知，Re越小，IRe越大、URm越大。因而，n=6時(shí)系統(tǒng)接地故障檢測(cè)判據(jù)可定為：URm超過(guò)22.1 V時(shí)，IRe會(huì)超過(guò)100 mA，判定系統(tǒng)有接地故障。

3.2 n≤6時(shí)的接地故障檢測(cè)判據(jù)

如圖4所示，IRe與n相關(guān)，因而接地故障檢測(cè)判據(jù)還需結(jié)合n的數(shù)值進(jìn)行匹配調(diào)整。

如圖4、圖5所示，Re一定時(shí)，n越少，IRe越小，URm越大。而實(shí)際運(yùn)行中，n由整車網(wǎng)絡(luò)判定給出，準(zhǔn)確性難以可靠保證。以保證整車運(yùn)行安全性為設(shè)計(jì)導(dǎo)向，n≤6時(shí)的接地故障檢測(cè)判據(jù)應(yīng)考慮無(wú)論n數(shù)值是否準(zhǔn)確，在判定出接地故障前，整車IRe都應(yīng)小于100 mA。

從而，n≤6時(shí)的接地故障檢測(cè)判據(jù)應(yīng)選取Re為2.523 kΩ時(shí)，n(n=1～6)對(duì)應(yīng)的URm作為判據(jù)。

綜上，計(jì)算n不同時(shí)對(duì)應(yīng)的URm、URe和IRe，如表1所示。從表1可以看出，在各種情況下，IRe均≤100 mA。由此可確定n≤6時(shí)的接地故障判據(jù)為：在輔助變流器在網(wǎng)數(shù)量為n時(shí)，若接地檢測(cè)電阻電壓超過(guò)對(duì)應(yīng)保護(hù)閾值，則判定系統(tǒng)有接地故障，需盡快進(jìn)行故障排查。

表1 n不同時(shí)對(duì)應(yīng)的URm、URe和IRe

4 模型仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 Matlab仿真

針對(duì)上述分析的IT系統(tǒng)接地故障原理，使用Matlab仿真軟件搭建了接地故障模型，選取單臺(tái)輔助變流器工作、2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作的2種接地工況，通過(guò)仿真驗(yàn)證接地故障檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性。按照CRH3型動(dòng)車組IT系統(tǒng)的參數(shù)，Re取值2.523 kΩ。

4.1.1 單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地故障仿真

圖6為單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地故障仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果(圖6中藍(lán)線)可以看到，推導(dǎo)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型與Simulink搭建的仿真模型仿真結(jié)果完全吻合，此時(shí)URm為109.3 V、URe為207.8 V、IRe為82.4 mA，與表1的理論計(jì)算值一致。

圖6 單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地故障仿真結(jié)果

4.1.2 2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作時(shí)的接地故障仿真

圖7為2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作時(shí)的接地故障仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果(圖7中藍(lán)線)可以看到，推導(dǎo)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型與Simulink搭建的仿真模型仿真結(jié)果完全吻合，此時(shí)URm為63 V、URe為239.6 V、IRe為95 mA，與理論計(jì)算值一致。

圖7 2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作時(shí)的接地故障仿真結(jié)果

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

以CRH3型動(dòng)車組輔助變流器為試驗(yàn)平臺(tái)，模擬交流輸出側(cè)接地故障，Re為2.5 kΩ。選取單臺(tái)輔助變流器工作和2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作2種接地工況，使用示波器分別測(cè)量2種工況下的URe和IRe，并使用上位機(jī)觀察URm。

4.2.1 單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地故障試驗(yàn)結(jié)果

圖8為單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地故障試驗(yàn)波形。

圖8 單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地故障試驗(yàn)波形

從圖8中可以看出，URm為103 V、URe為204.9 V、IRe為80.29 mA。

4.2.2 2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作時(shí)的接地故障試驗(yàn)結(jié)果

圖9為2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作時(shí)的接地故障試驗(yàn)波形。從圖中可以看出，URm為53.45 V、URe為239.7 V、IRe為92.53 mA。

圖9 2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作時(shí)的接地故障試驗(yàn)波形

考慮系統(tǒng)硬件參數(shù)誤差及測(cè)量偏差，2種接地工況實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果的誤差較小，可忽略不計(jì)，即試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)論一致。

5 結(jié)論

本文以CRH3型動(dòng)車組為例，詳細(xì)闡述了動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)接地故障的檢測(cè)方法，推導(dǎo)研究了交流輔助供電系統(tǒng)接地故障數(shù)學(xué)模型，并從Matlab仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證兩方面驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

另外，本文依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合接地故障檢測(cè)方法，針對(duì)CRH3型動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)提出了不同輔助變流器并聯(lián)運(yùn)行工況下的接地故障保護(hù)閾值。

綜上，本文研究的動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)接地故障檢測(cè)方法準(zhǔn)確有效，可以很好地應(yīng)用于動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為接地故障保護(hù)工作提供可靠指導(dǎo)，更好地保證車輛的安全運(yùn)行。